TS Nguyễn Trọng Hiếu “ plasma nhiệt độ thấp và một số ứng dụng”, Tạp chí
11
loại plasma, bài báo cũng đƣa ra một số tính chất của plasma, tác giả đã ứng dụng plasma trong việc thiết kế hệ thống đánh lửa plasma trên xe của hãng Ford.
Đinh Văn Nghĩa “Nghiên cứu và ứng dụng cơng nghệ plasma lạnh xử lý khí
thải trên động cơ ôtô” [16], Đại học Sƣ Phạm Kỹ Thuật TP. Hồ Chí Minh, 2016. Trong bài báo này, tác giả đã đƣa ra mơ hình thử nghiệm hệ thống xử lý khí xả bằng cơng nghệ Plasma lạnh trên các dòng xe động cơ diesel và động cơ xăng. Kết quả thử nghiệm cho thấy, mơ hình có thể giảm đƣợc nồng độ các chất NOx, HC, CO với hiệu suất rất cao. Đề tài cũng đang hƣớng đến có thể thiết kế hệ thống xử lý khí xả bằng cơng nghệ Plasma lạnh có thể gắn trên ô tô nhằm giảm thiểu ô nhiễm môi trƣờng.
Hình 1.9 Buồng xử lý khí thải bằng cơng nghệ Plasma phi nhiệt
1.2.3 Vấn đề còn tồn tại
Đối với cơng nghệ Plasma phi nhiệt đã có nhiều đề tài và cơng trình nghiên cứu và ứng dụng thành công trên thế giới cũng nhƣ trong nƣớc. Nhƣng đối mặt với tình hình khơng khí ngày càng bị ơ nhiễm nghiêm trọng do lƣợng khí xả từ các ngành cơng nghiệp rất lớn. Trong đó lƣợng khí xả từ hoạt động giao thơng vận tải chiếm một phần rất lớn. Không những vậy, số lƣợng phƣơng tiện giao thơng trên tồn cầu cũng nhƣ ở nƣớc ta ngày càng gia tăng mạnh mẽ. Và việc ứng dụng công nghệ
12
Plasma phi nhiệt để giảm nồng độ khí thải độc hại cho các phƣơng tiện giao thơng cịn khá mới mẻ.
Bên cạnh đó, để ứng dụng đƣợc cơng nghệ Plasma phi nhiệt trên những xe ơ tơ địi hỏi cần phải có sự tƣơng thích nhất định về mặt kỹ thuật cũng nhƣ thiết kế. Hệ thống xử lý khí xả bằng cơng nghệ Plasma phi nhiệt cần một nguồn điện áp khá cao (vài chục kW ) để hoạt động. Và nếu hệ thống này hoạt động liên tục trên ô tô, việc cung cấp điện năng cho nó trở nên rất khó khăn. Chính vì vậy, việc thiết kế một cơ cấu điều khiển cƣờng độ xử lý cũng nhƣ điều chỉnh đóng ngắt hệ thống cho phù hợp với nồng độ khí xả ở từng thời điểm là hết sức quan trọng. Phƣơng pháp này giúp tiết kiệm điện năng và tƣơng thích với khả năng cung cấp điện năng của ô tô. Và đề
tài “Nghiên cứu thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống xử lý khí thải trên ơ tơ
bằng công nghệ Plasma phi nhiệt” sẽ giải quyết bài tốn tƣơng thích hóa hệ thống
này trên một chiếc ô tô.
Đề tài dựa trên nên tảng là mơ hình xử lý khí thải bằng công nghệ Plasma phi nhiệt của tác giả Đinh Văn Nghĩa dƣới sự hƣớng dẫn của PGS TS. Đỗ Văn Dũng và TS. Trần Ngọc Đảm. Với lý thuyết về sự hình thành các chất độc hại có trong khí thải, lý thuyết về công nghệ Plasma phi nhiệt mà tác giả Đinh Văn Nghĩa đã nêu ra (mục 2.1, 2.2, 2.4.3) kết hợp với mơ hình thực nghiệm xử lý khí thải bằng cơng nghệ Plasma phi nhiệt (mục 3.1.2), đề tài sẽ tiếp tục nghiên cứu về lý thuyết điều khiển và thiết kế mạch điều khiển cho bộ xử lý khí thải. Và sau đó, đề tài sẽ trình bài quá trình thực nghiệm để đánh giá kết quả sau khi thiết kế mạch điều khiển cho bộ xử lý khí thải.
1.3 Mục tiêu và đối tƣợng nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu 1.3.1 Mục tiêu nghiên cứu
Nghiên cứu phƣơng pháp xử lý khí thải bằng buồng plasma đƣợc điều khiển dựa trên tín hiệu của cảm biến oxy.
1.3.2 Đối tƣợng nghiên cứu
13
1.4 Phạm vi nghiên cứu
Xử lý khí thải động cơ đốt trong sử dụng nhiên liệu xăng và Diesel nhằm đảm bảo hàm lƣợng các chất độc hại có trong khí thải trƣớc khi thải vào mơi trƣờng phải nhỏ hơn giới hạn cho phép đã đƣợc quy định trong các điều luật.
1.5 Phƣơng pháp nghiên cứu
Nghiên cứu lý thuyết về: công nghệ plasma, thành phần các chất độc hại trong khí thải ơ tơ, các phƣơng pháp xử lý khí thải trƣớc đây và xử lý khí thải bằng cơng nghệ plasma.
Nghiên cứu thực nghiệm: kiểm nghiệm khả năng xử lý khí thải bằng cơng nghệ plasma và qua đó, đánh giá hiệu quả của phƣơng pháp này.
1.6 Kết luận
Nội dung chƣơng 1 đã giới thiệu một số đề tài ứng dụng cơng nghệ plasma để xử lý khí thải trên tàu thuỷ, ô tô cũng nhƣ xử lý nƣớc thải. Điều đó cho thấy giới nghiên cứu đã khai thác công nghệ này để giải quyết vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ngày càng phổ biến.
Mục tiêu của đề tài là thiết kế buồng tạo plasma xử lý khí thải ơ tô, và buồng tạo plasma này đƣợc điều khiển bởi vi điều khiển với tín hiệu đầu vào là tín hiệu điện áp từ cảm biến oxy. Để thực hiện mục tiêu này, học viên hƣớng tới việc nghiên cứu phƣơng pháp tạo ra plasma và thiết kế mạch điều khiển cho hệ thống này.
Bên cạnh đó, chúng ta cũng cần nêu ra những tác hại từ thành phần các chất độc hại có trong khí xả nhƣ HC, CO, NOX, SOX… cũng nhƣ giới thiệu về công nghệ
14
Chƣơng 2
CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1 Khí thải hình thành từ động cơ đốt trong 2.1.1 Động cơ đốt trong 2.1.1 Động cơ đốt trong
Động cơ đốt trong ( Internal Combustion Engine ) đƣợc xem là trái tim của ơ tơ vì nó là nguồn động lực chính đễ dẫn động cho các phƣơng tiện giao thông vận tải. Động cơ đốt trong là một loại động cơ nhiệt với quá trình đốt cháy nhiên liệu đƣợc trộn lẫn với khơng khí và chuyển biến nhiệt năng thành cơ năng đƣợc thực hiện bên trong xy-lanh động cơ.
2.1.2 Thành phần các chất có trong khí thải động cơ và ảnh hƣởng của chúng đối với sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng [17] đối với sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng [17]
2.1.2.1 Thành phần các chất có trong khí thải từ động cơ
Quá trình cháy trong động cơ đốt trong là q trình oxi-hóa nhiên liệu, giải phóng nhiệt năng diễn ra bên trong xylanh động cơ. Theo những cơ chế hết sức phức tạp và chịu nhiều ảnh hƣởng. Trong quá trình cháy sẽ sinh ra hợp chất trung gian. Sản phẩm cuối cùng của quá trình cháy gọi là sản phẩm cháy. Theo nguyên lý, quá trình cháy lý tƣởng của hỗn hợp hydrocarbure với khơng khí chỉ sinh ra CO2, H2O và N2. Tuy nhiên, do tính chất phức tạp của các hiện tƣợng diễn ra bên trong quá trình cháy nên trong khí xả động cơ đốt trong ln có chứa một hàm lƣợng đáng kể những chất độc hại nhƣ oxyde nito (NO, NO2, N2O, gọi chung là NOx), monoxyde carbon (CO), các hydrocarbure chƣa cháy (HC) và các hạt rắn, đặc biệt là bồ hóng.
15
Bảng 2.1 Bảng thống kê các chất có trong khí thải của động cơ
Chất thải Nguyên nhân sản sinh
CO2 Sản phẩm của quá trình cháy nhiên liệu N2 Sản phẩm của quá trình cháy nhiên liệu
NOx(Oxyde Nito) Hình thành do sự kết hợp giữa oxy và nito ở nhiệt độ cao.
CO (Carbon monoxyde)
Sinh ra do sự cháy thiếu oxy; Q trình cháy khơng hồn toàn.
SO2, SO3, H2SO4
Do trong thiên nhiên tồn tại lƣu huỳnh và bị oxy hóa trong q trình cháy sinh ra hơi nƣớc
CnHm(các hydrocarbure chƣa cháy hết)
Do quá trình cháy khơng hồn tồn, hoặc hiện tƣợng cháy khơng bình thƣờng, do nguồn gốc nhiên liệu chứa nhiều phân tử nặng
Những hạt chì nhỏ Do trong dầu thơ có nhiễm chì Chất thải dạng hạt (PM)
(Bồ hóng) Là các muội than ngậm các hạt bụi dầu chƣa cháy kịp
2.1.2.2 Cơ chế hình thành các chất độc hại trong khí thải [18]
Do khác nhau về nhiên liệu, quá trình hình thành hỗn hợp và quá trình cháy nên tỉ lệ các chất độc hại có trong khí thải động cơ xăng và động cơ Diesel cũng khác nhau.
a. Đối với động cơ xăng
16
khí thải động cơ xăng theo chu trình thử đặc trƣng của châu Âu.
Hình 2.1 Tỉ lệ (khối lƣợng) các chất độc hại trong khí xả động cơ xăng [17]
Hình 2.2 Đặc tính các thành phần độc hại của động cơ xăng theo hệ số dƣ lƣợng khơng
khí λ [17]
Nhƣ vậy các chất thải chính có trong khí thải động cơ xăng là NOx, CnHm, và CO. Nồng độ các chất nói trên phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dƣ lƣợng khơng khí λ (mức độ đậm nhạt của hỗn hợp) đƣợc thể hiện một cách định tính nhƣ trên hình 2.2, sau đây ta sẽ phân tích rõ hơn về sự phụ thuộc này:
17
Ta có Carbon monoxyde đƣợc hình thành từ phản ứng sau: 2C + O2 = 2CO
Đây là phản ứng cháy thiếu oxy. Rõ ràng hệ số dƣ lƣợng khơng khí λ càng nhỏ thì
CO càng tăng và ngƣợc lại.
Khi λ < 1, quá trình cháy thiếu oxy nên thành phần CO lớn, trong quá trình giãn nở
một phần CO sẽ kết hợp với hơi nƣớc (có trong sản phẩm cháy để tạo thành CO2).
CO + H2O = CO2 + H2
Khi λ > 1, về lý thuyết sẽ thừa oxy nhƣng vẫn còn một lƣợng nhỏ CO. Lý do là trong buồng cháy vẫn có những vùng cục bộ có λ < 1, tại đó q trình cháy thiếu oxy. Mặt
khác, tại những vùng sát vách, do hiệu ứng làm lạnh còn gọi là hiệu ứng sát vách nên CO khơng oxy - hóa tiếp thành CO2.
CnHm (các hydrocarbure chƣa cháy hết):
Trên hình 2.2 thể hiện rõ CnHm đạt giá trị nhỏ nhất ở λ = 1,1 ÷ 1,25. Những vùng có giá trị ngồi vùng này có tỉ lệ nhiên liệu – khơng khí q đậm hoặc quá nhạt, có khi vƣợt ra ngồi giới hạn cháy nên nhiên liệu không cháy đƣợc. Mặt khác, đối với bất cứ giá trị λ nào, trong buồng cháy cũng có những vùng đặc biệt mà hỗn hợp khơng thể cháy đƣợc nhƣ:
Lớp sát vách các chi tiết: Có nhiệt độ thấp nên khi màng lửa lan tràn đến đây sẽ bị dập tắt, do đó nhiên liệu tại đây không đƣợc đốt cháy. Hiện tƣợng này đƣợc gọi là hiệu ứng sát vách.
Vùng giữa các kẽ hẹp: Khe giữa đầu Piston và xy lanh…
Ngồi ra, trong q trình nén thƣờng hình thành màng dầu trên mặt gƣơng xy lanh. Trong quá trình giãn nở áp suất giảm, màng dầu bay hơi làm tăng CmHn.
Thành phần của CnHm rất đa dạng: Thành phần chủ yếu là hydrocarbure thơm (benzene, toluen, etyl benzene…) Olephin (propan, etan…) hay Paraphin (metan…)…
NOx (Oxyde Nito):
NOx hình thành từ phản ứng Oxy-hoá nitơ trong điều kiện nhiệt độ cao của quá trình cháy. Thành phần của NOx phụ thuộc rất nhiều vào hệ số dƣ khơng khí λ tức nồng độ
18
Oxy của hỗn hợp và nhiệt độ quá trình cháy, đạt giá trị cực đại tại λ = 1,05 ÷ 1,1. Tại đây nhiệt độ của quá trình cháy đủ lớn để Oxy và Nitơ phân huỷ thành ngun tử có tính năng hoạt hoá cao và cũng tại đây nồng độ Oxy đủ lớn bảo đảm đủ Oxy cho phản ứng, do đó NOx đạt cực đại. Trƣớc giá trị này, khi λ tăng, nồng độ Oxy tăng, nên NOx tăng. Sau khi đạt cực đại, khi λ tăng hỗn hợp nhạt nhiệt độ của quá trình cháy giảm nên NOx giảm.
Thành phần của NOx: NO chiếm tới 90 ÷ 98% tuỳ thuộc vào λ, phần cịn lại là NO2. Cơ chế hình thành NO đƣợc mơ tả dƣới đây, trƣớc hết dƣới nhiệt độ cao Oxy bị phân huỷ thành Oxy nguyên tử.
O2 ↔ 2O
Tiếp theo là các phản ứng với sự tham gia của các ngun tử có tính năng hoạt hố cao:
N2 + O ↔ NO +N
O2 + N ↔ NO +O
Hai phản ứng này đƣợc gọi là chuỗi Zeldovich. Ngoài ra NO cịn đƣợc hình thành từ phản ứng sau:
OH + N ↔ NO + H
Thực nghiệm chứng tỏ, NO hình thành chủ yếu ở phía sau ngọn lửa trong vùng cháy và các phản ứng hình thành NO diễn ra rất chậm so với quá trình hình thành CO.
Ngồi 3 thành phần độc hại chính trên trong khí thải động cơ đốt trong cịn có các hợp chất chứa chì.
Các hợp chất chứa chì:
Để chống kích nổ trong động cơ xăng ngƣời ta thƣờng pha vào xăng các hợp chất phụ gia chứa chì nhƣ: Tetraetin chì có cơng thức hố học là Pb(C2H5)4. Do đó trong sản phẩm cháy của động cơ xăng (dùng xăng pha chì) có các hợp chất chứa chì ở dạng hạt rắn rất nhỏ, tuy cũng có tác dụng rà khít xupap với đế xupap nhƣng cũng gây mài mịn các chi tiết của động cơ, đồng thời gây tác hại đối với môi trƣờng và sức khoẻ con ngƣời. Để giảm ảnh hƣởng mài mòn các chi tiết của động cơ, ngƣời ta pha vào xăng các
19
hợp chất vơ cơ của nhóm halogen (nhƣ clo và brôm). Các hợp chất này có tác dụng làm giảm nhiệt độ sơi của Oxit chì. Sau phản ứng cháy các hợp chất của nhóm halogen với chì sẽ đƣợc thải ra khỏi buồng cháy dƣới dạng khí.
Do những tác hại nêu trên phụ gia pha chì ngày càng ít đƣợc sử dụng. Nhiều nƣớc đã thực hiện thành cơng cấm hồn tồn xăng pha chì nhƣ: Mỹ, Nhật Bản, Canada, Áo, Thuỵ Điển, Brazin, Clombia, Crotia, Thái Lan… từ 29/11 đến 01/12/1999 tại Hà Nội đã diễn ra hội thảo quốc tế với sự bảo trợ của ngân hàng thế giới về loại bỏ xăng pha chì ở Việt Nam. Tại cuộc hội thảo, Chính Phủ đã đƣa ra một dự án bắt đầu vào năm 2002 với mục tiêu loại bỏ hoàn toàn xăng pha chì vào năm 2006. Dự án thử nghiệm đối chứng xăng khơng pha Chì đã đƣợc thử nghiệm ngay sau hội thảo tại phịng thí nghiệm của bộ môn Động Cơ Đốt Trong trƣờng ĐH Bách Khoa Hà Nội. Kết quả thử nghiệm đã góp phần quan trọng cho Thủ Tƣớng Chính Phủ đƣa ra quyết định sử dụng xăng khơng pha chì cho tồn bộ lãnh thổ Việt Nam (trừ mục đích quân sự) từ ngày 01/07/2001.
b. Đối với động cơ Diesel
Hình 2.3 sau đây thể hiện đƣờng đặc tính các chất độc hại chủ yếu trong động cơ Diesel phun trực tiếp theo hệ số dƣ lƣợng khơng khí a.
20
Đặc điểm của động cơ Diezel là hỗn hợp cháy đƣợc hình thành bên trong xylanh nên hệ số dƣ lƣợng khơng khí a nằm trong một giới hạn rất rộng, cụ thể từ 1,2 đến 10 từ tồn tải đến khơng tải. Chính vì giới hạn a rộng nên điều chỉnh tải bằng phƣơng pháp điều chỉnh a cịn gọi là điều chỉnh chất. Do đó, khác với điều chỉnh lƣợng của động cơ xăng, trên đƣờng nạp khơng có tiết lƣu.
Hình 2.4 Cơ chế hình thành các chất độc hại của động cơ Diesel truyền thống khơng
hình thành hỗn hợp trƣớc
Qua hình 2.4 ta thấy lƣợng NOx hình thành nhiều nhất ở vùng cháy hoàn toàn a = 1 do nhiệt độ cao. HC tồn tại nhiều ở vùng hỗn hợp nhạt do khơng đủ khơng khí để nhiên liệu tự cháy. Ở khu vực giữa tia phun chất thải dạng hạt hình thành nhiều nhất, đây chính là vùng bị oxy hố trong lịng ngọn lửa bị khuếch tán. Sau đây ta sẽ khảo sát những đặc tính này.
CO (Carbon monoxyde):
Trong khí thải động cơ Diezel, tuy a > 1 và khá lớn (thừa Oxy) nhƣng vẫn có thành phần CO mặc dù khá nhỏ là do vẫn có những vùng với a < 1 (thiếu Oxy). Khi a tăng ban đầu CO giảm do nồng độ Oxy tăng và đạt giá trị cực tiểu tại a = 1,6. Tiếp tục tăng a, CO tăng do tỷ lệ tái hợp của CO và Oxy trong quá trình giãn nở giảm đi nên lƣợng CO cịn lại trong khí thải tăng lên.
CnHm(các hydrocarbure chƣa cháy hết):
Do a lớn nên CnHm trong động cơ Diezel so với động cơ xăng cũng nhỏ hơn. Khi a tăng, nhiệt độ cháy giảm nên phần nhiên liệu không cháy đƣợc CnHm sẽ tăng lên. Đối với phƣơng pháp hỗn hợp màng, do hiệu ứng sát vách ảnh hƣởng mạnh nên CnHm lớn
21
hơn so với trƣờng hợp hỗn hợp thể tích. Nếu tổ chức xốy lốc và hòa trộn tốt trong quá